近年来纤维型人工肌肉由于其优秀的驱动性能和广阔的应用前景备受关注,并取得了令人兴奋的进展。水凝胶材料特有的软和湿的性能以及良好的生物相容性使得越来越多的基于水凝胶材料的人工肌肉被科技界所关注,但是基于水凝胶纤维的人工肌肉迄今还没有被报道。基于水凝胶纤维内部的含水量与纤维体积响应特性关系,本文设计二氧化硅纳米粒子与聚丙烯酸复合的双网络水凝胶纤维,将具有高度各向异性的碳纳米管(CNT)薄膜包裹水凝胶纤维制得具有核壳结构的复合纤维,利用该复合纤维设计制作了可旋转的双螺旋人工肌肉和可伸缩的螺旋卷绕型人工肌肉,并对其驱动性能进行了研究。本文的主要研究内容如下:1、采用溶胶-凝胶法制备二氧化硅纳米粒子分散液(VSNPs),并通过原位接枝聚合丙烯酸得到物理交联的双网络水凝胶纤维。利用SEM、FTIR、TGA、称重法和拉力测试等技术对水凝胶与水凝胶纤维的形貌、结构和性能进行表征。实验发现,双网络水凝胶与双网络水凝胶纤维具有很强的吸水能力。其中,块状水凝胶在30 min可以吸收相对于自身质量1.57倍的水分,水凝胶纤维在100%RH的湿空气中可以吸收相对于自身质量51.8%的水分,双螺旋水凝胶纤维在相同条件下可以产生相对于自身长度50%的收缩形变。2、将各向异性CNT薄膜包裹水凝胶纤维制备出核壳型水凝胶/CNT复合纤维,加捻纤维并在纤维中间点处负载后对折使复合纤维合股,获得扭矩平衡的双螺旋人工肌肉。双螺旋人工肌肉在水雾的驱动下发生扭转和沿轴向伸缩两种运动。实验发现改变CNT对水凝胶纤维的包裹角度可调控双螺旋人工肌肉的驱动性能:水凝胶/CNT包裹角度为0°时,获得扭转角度为1455°/mm、最大旋转速度为3178rpm的高速扭转的双螺旋人工肌肉,且沿轴向发生11%的收缩致动;水凝胶/CNT包裹角度为85°时,获得沿轴向高达54.8%的伸长形变率的双螺旋人工肌肉,但扭转角度为501.3°/mm和最大旋转速度为720 rpm均有所下降。此外,复合纤维的加捻密度和直径,以及水雾浓度也是双螺旋人工肌肉驱动性能的影响因素。进一步尝试将复合纤维采用四种方式编织,得到具有不同编织结构的双螺旋人工肌肉,发现B、D编织方式具有较好的驱动性能。3、将水凝胶/CNT复合纤维加捻并均匀地缠绕在细棒上,热空气定型获得可伸缩的螺旋卷绕型人工肌肉。复合纤维的加捻方向与其缠绕在细棒上的方向相同时获得在湿空气中收缩的同手性人工肌肉(zz或ss);复合纤维的加捻方向与其缠绕在细棒上的方向相反时获得在湿空气中伸长的异手性人工肌肉(zs或sz)。改变螺旋卷绕型人工肌肉加捻密度、弹簧指数和线圈间距可调控其驱动性能。其中,同手性人工肌肉在加捻密度为6000 turns/m、弹簧指数为15、线圈间距为1 mm、80%RH的驱动条件下,空载时获得-95.7%的收缩形变,且在收缩过程中表现出13.67%/s的平均响应速率;异手性人工肌肉在加捻密度为6000 turns/m、弹簧指数为25、线圈间距与纤维直径大约相同、80%RH的驱动条件下,空载时获得2600%的拉伸形变。两种手性的卷绕型人工肌肉在20～60%RH条件下进行50次循环驱动,伸缩性能不发生变化,表明卷绕型人工肌肉具有良好的循环驱动性能。